الذرة "السلمية". مبدأ تشغيل المفاعل النووي شرح المواد الجديدة

العودة إلى الأمام

انتباه! معاينات الشرائح هي لأغراض إعلامية فقط وقد لا تمثل جميع ميزات العرض التقديمي. إذا كنت مهتما بهذا العمل، يرجى تحميل النسخة الكاملة.

أهداف الدرس:

• التعليمية: تحديث المعرفة الموجودة؛ مواصلة تكوين المفاهيم: انشطار نواة اليورانيوم، التفاعل النووي المتسلسل، ظروف حدوثه، الكتلة الحرجة؛ تقديم مفاهيم جديدة: المفاعل النووي، العناصر الرئيسية للمفاعل النووي، هيكل المفاعل النووي ومبدأ تشغيله، التحكم في التفاعل النووي، تصنيف المفاعلات النووية واستخدامها؛
• التعليمية: الاستمرار في تنمية مهارات الملاحظة واستخلاص النتائج، وكذلك تنمية القدرات الفكرية وفضول الطلاب؛
• التعليمية: الاستمرار في تطوير الموقف تجاه الفيزياء كعلم تجريبي؛ تنمية موقف ضميري تجاه العمل والانضباط وموقف إيجابي تجاه المعرفة.

نوع الدرس:تعلم مواد جديدة.

معدات:تركيب الوسائط المتعددة.

خلال الفصول الدراسية

1. اللحظة التنظيمية.

شباب! اليوم في الدرس سنكرر انشطار نواة اليورانيوم، التفاعل النووي المتسلسل، شروط حدوثه، الكتلة الحرجة، سنتعرف على ما هو المفاعل النووي، العناصر الرئيسية للمفاعل النووي، هيكل المفاعل النووي ومبدأ عملها والتحكم في التفاعل النووي وتصنيف المفاعلات النووية واستخدامها.

2. فحص المادة المدروسة.

1. آلية انشطار نواة اليورانيوم.
2. حدثنا عن آلية التفاعل المتسلسل النووي؟
3. أعط مثالا على تفاعل الانشطار النووي لنواة اليورانيوم.
4. ما يسمى الكتلة الحرجة؟
5. كيف يحدث التفاعل المتسلسل في اليورانيوم إذا كانت كتلته أقل من الحرجة أو أكبر من الحرجة؟
6. ما هي الكتلة الحرجة لليورانيوم 295؟هل من الممكن تقليل الكتلة الحرجة؟
7. ما هي الطرق التي يمكنك من خلالها تغيير مسار التفاعل النووي المتسلسل؟
8. ما هو الغرض من إبطاء النيوترونات السريعة؟
9. ما هي المواد المستخدمة كمشرفين؟
10. ما هي العوامل التي يمكن من خلالها زيادة عدد النيوترونات الحرة في قطعة اليورانيوم، وبالتالي ضمان إمكانية حدوث تفاعل فيها؟

3. شرح المواد الجديدة.

يا شباب، أجيبوا على هذا السؤال: ما هو الجزء الرئيسي في أي محطة للطاقة النووية؟ ( مفاعل نووي)

أحسنت. لذا يا شباب، دعونا الآن نلقي نظرة على هذه المشكلة بمزيد من التفصيل.

مرجع تاريخي.

إيجور فاسيليفيتش كورشاتوف هو فيزيائي سوفيتي بارز، وأكاديمي، ومؤسس وأول مدير لمعهد الطاقة الذرية من عام 1943 إلى عام 1960، وكبير المديرين العلميين للمشكلة الذرية في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، وأحد مؤسسي استخدام الطاقة النووية للأغراض السلمية. . أكاديمي في أكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية (1943). تم اختبار أول قنبلة ذرية سوفيتية في عام 1949. وبعد أربع سنوات، تم اختبار أول قنبلة هيدروجينية في العالم بنجاح. وفي عام 1949، بدأ إيغور فاسيليفيتش كورشاتوف العمل في مشروع محطة الطاقة النووية. محطة الطاقة النووية هي نذير الاستخدام السلمي للطاقة الذرية. تم الانتهاء من المشروع بنجاح: في 27 يوليو 1954، أصبحت محطة الطاقة النووية لدينا هي الأولى في العالم! ابتهج كورشاتوف واستمتع كطفل!

تعريف المفاعل النووي.

المفاعل النووي هو جهاز يتم فيه تنفيذ وصيانة تفاعل متسلسل متحكم فيه لانشطار نوى ثقيلة معينة.

تم بناء أول مفاعل نووي عام 1942 في الولايات المتحدة الأمريكية تحت قيادة إي. فيرمي. في بلدنا، تم بناء المفاعل الأول في عام 1946 تحت قيادة I. V. كورشاتوف.

العناصر الرئيسية للمفاعل النووي هي:

• الوقود النووي (اليورانيوم 235، اليورانيوم 238، البلوتونيوم 239)؛
• وسيط النيوترونات (الماء الثقيل، الجرافيت، وما إلى ذلك)؛
• المبرد لإزالة الطاقة المتولدة أثناء تشغيل المفاعل (الماء، الصوديوم السائل، إلخ)؛
• قضبان التحكم (البورون والكادميوم) - نيوترونات عالية الامتصاص
• غلاف واقي يحجب الإشعاع (الخرسانة مع حشو الحديد).

مبدأ التشغيل مفاعل نووي

يقع الوقود النووي في القلب على شكل قضبان عمودية تسمى عناصر الوقود (عناصر الوقود). تم تصميم قضبان الوقود لتنظيم قوة المفاعل.

كتلة كل قضيب وقود أقل بكثير من الكتلة الحرجة، لذلك لا يمكن أن يحدث تفاعل متسلسل في قضيب واحد. ويبدأ بعد غمر جميع قضبان اليورانيوم في القلب.

يحيط بالقلب طبقة من المادة التي تعكس النيوترونات (العاكس) وطبقة واقية من الخرسانة تحبس النيوترونات والجسيمات الأخرى.

إزالة الحرارة من خلايا الوقود. يغسل المبرد، الماء، القضيب، ويسخن إلى 300 درجة مئوية عند ضغط مرتفع، ويدخل إلى المبادلات الحرارية.

دور المبادل الحراري هو أن الماء الذي يتم تسخينه إلى 300 درجة مئوية يطلق الحرارة إلى الماء العادي ويتحول إلى بخار.

التحكم في التفاعل النووي

يتم التحكم في المفاعل باستخدام قضبان تحتوي على الكادميوم أو البورون. عندما يتم تمديد القضبان من قلب المفاعل، K > 1، وعندما يتم سحبها بالكامل - K< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

مفاعل النيوترونات البطيئة.

يحدث الانشطار الأكثر كفاءة لنواة اليورانيوم 235 تحت تأثير النيوترونات البطيئة. تسمى هذه المفاعلات بمفاعلات النيوترونات البطيئة. النيوترونات الثانوية الناتجة عن تفاعل الانشطار تكون سريعة. من أجل أن يكون تفاعلها اللاحق مع نوى اليورانيوم 235 في التفاعل المتسلسل أكثر فعالية، يتم إبطاؤه عن طريق إدخال وسيط في القلب - وهي مادة تقلل من الطاقة الحركية للنيوترونات.

مفاعل نيوتروني سريع.

ولا يمكن لمفاعلات النيوترونات السريعة أن تعمل باليورانيوم الطبيعي. لا يمكن الحفاظ على التفاعل إلا في خليط مخصب يحتوي على 15% على الأقل من نظائر اليورانيوم. وتتمثل ميزة مفاعلات النيوترونات السريعة في أن تشغيلها ينتج كمية كبيرة من البلوتونيوم، والذي يمكن استخدامه بعد ذلك كوقود نووي.

المفاعلات المتجانسة وغير المتجانسة.

تنقسم المفاعلات النووية، اعتمادًا على الموقع النسبي للوقود والمهدئ، إلى مفاعلات متجانسة وغير متجانسة. في المفاعل المتجانس، يكون القلب عبارة عن كتلة متجانسة من الوقود والوسيط والمبرد على شكل محلول أو خليط أو ذوبان. يسمى المفاعل الذي يتم فيه وضع الوقود على شكل كتل أو مجموعات وقود في وسيط، مما يشكل شبكة هندسية منتظمة فيه، غير متجانس.

تحويل الطاقة الداخلية للنواة الذرية إلى طاقة كهربائية.

المفاعل النووي هو العنصر الرئيسي في محطة الطاقة النووية (NPP)، الذي يحول الطاقة النووية الحرارية إلى طاقة كهربائية. يتم تحويل الطاقة وفقًا للمخطط التالي:

• الطاقة الداخلية لنواة اليورانيوم -
• الطاقة الحركية للنيوترونات والشظايا النووية -
• الطاقة الداخلية للماء -
• الطاقة الداخلية للبخار -
• الطاقة الحركية للبخار -
• الطاقة الحركية لدوار التوربين ودوار المولد -
• الطاقة الكهربائية.

استخدام المفاعلات النووية.

اعتمادا على الغرض منها، يمكن أن تكون المفاعلات النووية مفاعلات طاقة، ومحولات ومولدات، ومفاعلات بحثية ومتعددة الأغراض، ووسائل النقل والصناعية.

تُستخدم مفاعلات الطاقة النووية لتوليد الكهرباء في محطات الطاقة النووية، ومحطات طاقة السفن، ومحطات الحرارة والطاقة النووية المجمعة، ومحطات إمداد الحرارة النووية.

تسمى المفاعلات المصممة لإنتاج الوقود النووي الثانوي من اليورانيوم الطبيعي والثوريوم بالمحولات أو المولدات. وفي مفاعل التحويل، ينتج الوقود النووي الثانوي أقل مما تم استهلاكه في البداية.

في مفاعل التوليد، يتم تنفيذ الاستنساخ الموسع للوقود النووي، أي. اتضح أكثر مما تم إنفاقه.

تُستخدم مفاعلات الأبحاث لدراسة عمليات تفاعل النيوترونات مع المادة، ودراسة سلوك مواد المفاعل في المجالات المكثفة لإشعاع النيوترونات وجاما، والأبحاث الكيميائية الإشعاعية والبيولوجية، وإنتاج النظائر، والأبحاث التجريبية في فيزياء المفاعلات النووية.

تتمتع المفاعلات بقدرات مختلفة، وأنماط تشغيل ثابتة أو نبضية. المفاعلات متعددة الأغراض هي تلك التي تخدم عدة أغراض، مثل توليد الطاقة وإنتاج الوقود النووي.

الكوارث البيئية في محطات الطاقة النووية

• 1957 – حادث في بريطانيا العظمى
• 1966 - انصهار جزئي للقلب بعد فشل تبريد المفاعل بالقرب من ديترويت.
• 1971 - ذهب الكثير من المياه الملوثة إلى نهر الولايات المتحدة
• 1979 - أكبر حادث في الولايات المتحدة الأمريكية
• 1982 – إطلاق البخار المشع في الغلاف الجوي
• 1983 - حادث مروع في كندا (تدفق الماء المشع لمدة 20 دقيقة - طن في الدقيقة)
• 1986 – حادث في بريطانيا العظمى
• 1986 – حادث في ألمانيا
• 1986 – محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية
• 1988 - حريق في محطة للطاقة النووية في اليابان

تم تجهيز محطات الطاقة النووية الحديثة بأجهزة الكمبيوتر، ولكن في السابق، حتى بعد وقوع حادث، استمرت المفاعلات في العمل، حيث لم يكن هناك نظام إغلاق تلقائي.

4. تحديد المواد.

1. ماذا يسمى المفاعل النووي؟
2. ما هو الوقود النووي في المفاعل؟
3. ما هي المادة التي تعمل كمهدئ للنيوترونات في المفاعل النووي؟
4. ما هو الغرض من وسيط النيوترونات؟
5. ما هي قضبان التحكم المستخدمة؟ كيف يتم استخدامها؟
6. ما الذي يستخدم كمبرد في المفاعلات النووية؟
7. لماذا من الضروري أن تكون كتلة كل قضيب من اليورانيوم أقل من الكتلة الحرجة؟

5. تنفيذ الاختبار.

1. ما هي الجسيمات المشاركة في انشطار نواة اليورانيوم؟
   أ. البروتونات؛
   ب. النيوترونات؛
   ب. الإلكترونات؛
   ز- نوى الهيليوم.
2. ما هي كتلة اليورانيوم الحرجة؟
   أ. أعظم تفاعل متسلسل ممكن عنده؛
   ب. أي كتلة.
   ب. أصغر تفاعل متسلسل ممكن؛
   د- الكتلة التي يتوقف عندها التفاعل.
3. ما هي الكتلة الحرجة التقريبية لليورانيوم 235؟
   أ.9 كجم؛
   ب.20 كجم؛
   ب.50 كجم؛
   ز.90 كجم.
4. أي من المواد التالية يمكن استخدامها في المفاعلات النووية كمهدئات للنيوترونات؟
   أ. الجرافيت.
   ب. الكادميوم.
   ب. الماء الثقيل.
   جي البورون.
5. لكي يحدث تفاعل متسلسل نووي في محطة للطاقة النووية، يجب أن يكون عامل تكاثر النيوترونات كما يلي:
   أ. يساوي 1؛
   ب. أكثر من 1؛
   V. أقل من 1.
6. يتم التحكم في معدل انشطار نوى الذرات الثقيلة في المفاعلات النووية عن طريق:
   أ. بسبب امتصاص النيوترونات عند خفض القضبان باستخدام جهاز الامتصاص؛
   ب. بسبب زيادة إزالة الحرارة مع زيادة سرعة سائل التبريد؛
   ب. من خلال زيادة إمدادات الكهرباء للمستهلكين؛
   ز. عن طريق تقليل كتلة الوقود النووي في القلب عند إزالة القضبان بالوقود.
7. ما هي تحولات الطاقة التي تحدث في المفاعل النووي؟
   أ. تتحول الطاقة الداخلية للنواة الذرية إلى طاقة ضوئية.
   ب. تحويل الطاقة الداخلية للنواة الذرية إلى طاقة ميكانيكية.
   ب. تحويل الطاقة الداخلية للنواة الذرية إلى طاقة كهربائية.
   د- لا يوجد أي من الإجابات صحيحة.
8. وفي عام 1946، تم بناء أول مفاعل نووي في الاتحاد السوفييتي. ومن كان قائد هذا المشروع؟
   أ.س.كوروليف؛
   بي آي كورشاتوف؛
   في دي ساخاروف؛
   جي ايه بروخوروف.
9. ما هي الطريقة التي تعتبرها الأكثر قبولا لزيادة موثوقية محطات الطاقة النووية ومنع تلوث البيئة الخارجية؟
   أ. تطوير مفاعلات قادرة على التبريد التلقائي لقلب المفاعل بغض النظر عن إرادة المشغل؛
   ب. زيادة المعرفة بتشغيل محطة الطاقة النووية، ومستوى الاستعداد المهني لمشغلي محطة الطاقة النووية؛
   ب. تطوير تقنيات عالية الكفاءة لتفكيك محطات الطاقة النووية ومعالجة النفايات المشعة.
   د. موقع المفاعلات في أعماق الأرض؛
   د- رفض بناء وتشغيل محطة للطاقة النووية.
10. ما هي مصادر التلوث البيئي المرتبطة بتشغيل محطات الطاقة النووية؟
    أ- صناعة اليورانيوم.
    ب. المفاعلات النووية بمختلف أنواعها.
    ب. صناعة الكيمياء الإشعاعية؛
    د- مواقع معالجة النفايات المشعة والتخلص منها.
    د. استخدام النويدات المشعة في الاقتصاد الوطني؛
    هـ- التفجيرات النووية.

الإجابات: 1 ب؛ 2 فولت؛ 3 فولت؛ 4 أ، ب؛ 5 أ؛ 6 أ؛ 7 الخامس؛. 8 ب؛ 9 ب.ف. 10 أ، ب، ج، د، هـ.

6. ملخص الدرس.

ما الجديد الذي تعلمته في الفصل اليوم؟

ما الذي أعجبك في الدرس؟

ما هي الأسئلة التي لديك؟

شكرًا لك على عملك في الدرس!

إن التفاعل النووي النيوتروني لانشطار النوى الثقيلة، كما سبق أن أشرنا، هو التفاعل الرئيسي والمركزي في المفاعلات النووية. لذلك، فمن المنطقي منذ البداية التعرف على المفاهيم الفيزيائية لتفاعل الانشطار وتلك الخاصة بخصائصه التي تترك بصماتها بطريقة أو بأخرى على جميع جوانب الحياة والحياة اليومية للمجمع التقني الأكثر تعقيدًا، والذي تسمى محطة الطاقة النووية.

وترد فكرة عن انشطار نواة اليورانيوم 235 في الصور المرئية في الشكل 2.6.

نواة نيوترونية ذات كتلة أ، نواة مركبة مثارة، شظايا انشطارية

النيوترونات الانشطارية

الشكل 2.6. تمثيل تخطيطي للانشطار النووي 235 U.

بناءً على هذا الرسم البياني، يمكن كتابة "معادلة" تفاعل الانشطار المعممة (وهي منطقية وليست رياضية بحتة) على النحو التالي:

235 يو + 1 ن  (236 يو) *  (ف 1)* + (ف 2)* +  5. 1 ن + أ + ب + ج + E

- (ف١)* و (ف٢)* - تسميات رمزية متحمسشظايا الانشطار (يشير الفهرس (*) فيما يلي إلى العناصر غير المستقرة أو المثارة أو المشعة)؛ القطعة (F 1)* لها كتلة A 1 وشحنتها Z 1، القطعة (F 2)* لها كتلة A 2 وشحنتها Z 2؛

-  5 . تم تحديد 1 n  5 نيوترونات انشطارية يتم إطلاقها في المتوسط ​​في كل حدث انشطار لنواة اليورانيوم 235؛

-  و  و  - - جسيمات، - جسيمات و - الكميات، ومتوسط ​​أعدادها لكل فعل انشطار لنواة اليورانيوم 235 يساوي a، b و c، على التوالي؛

E هو متوسط ​​كمية الطاقة المنبعثة أثناء عملية الانشطار.

ولنؤكد مرة أخرى: التعبير المكتوب أعلاه ليس معادلة بالمعنى الدقيق للكلمة؛ بل هو ببساطة شكل من أشكال التدوين يسهل تذكره ويعكس السمات الرئيسية لتفاعل الانشطار النيوتروني:

أ) تشكيل شظايا الانشطار.

ب) تكوين نيوترونات حرة جديدة أثناء الانشطار، وهو ما سنسميه باختصار من الآن فصاعدا النيوترونات الانشطارية؛

ج) النشاط الإشعاعي لشظايا الانشطار، مما يؤدي إلى تحولها الإضافي إلى تكوينات أكثر استقرارًا، مما يسبب عددًا من الآثار الجانبية - الإيجابية والمفيدة والسلبية، والتي يجب أخذها في الاعتبار عند تصميم وبناء وتشغيل المفاعلات النووية؛

د) إن إطلاق الطاقة أثناء الانشطار هو الخاصية الرئيسية لتفاعل الانشطار، مما يجعل من الممكن خلقه نشيط مفاعل نووي.

تلعب كل من العمليات الفيزيائية المذكورة أعلاه والتي تصاحب تفاعل الانشطار دورًا معينًا في المفاعل ولها عملية خاصة بها معنى. لذلك دعونا نتعرف عليهم بمزيد من التفصيل.

2.2.1. تشكيل شظايا الانشطار.يمكن الحديث عن فعل واحد من الانشطار النووي كظاهرة إلى حد ما عشوائيمع الأخذ في الاعتبار أن نواة اليورانيوم الثقيل، المكونة من 92 بروتونًا و143 نيوترونًا، قادرة بشكل أساسي على الانقسام إلى عدد مختلف من الشظايا ذات الكتل الذرية المختلفة. في هذه الحالة، يمكن تقييم إمكانية تقسيم النواة إلى 2 أو 3 أجزاء أو أكثر من خلال التدابير الاحتمالية. وفقًا للبيانات الواردة، فإن احتمال انقسام النواة إلى شظيتين يزيد عن 98%، وبالتالي فإن الغالبية العظمى من الانشطارات تنتهي بتكوين شظيتين بالضبط.

حددت الدراسات الطيفية لمنتجات الانشطار أكثر من 600 شظية انشطارية مختلفة ذات كتل ذرية مختلفة. وهنا، في حادث واضح، مع عدد كبير من الانقسامات، ظهرت واحدة على الفور النمط العاموالتي يمكن التعبير عنها بإيجاز على النحو التالي:

إن احتمال ظهور جزء من كتلة ذرية معينة أثناء الانشطار الشامل لنويدة معينة هو قيمة محددة بدقة مميزة لهذه النويدة الانشطارية.

عادة ما تسمى هذه الكمية العائد جزء محدد ، يُشار إليه بحرف يوناني صغير  أنا(جاما) بحرف منخفض - رمز للعنصر الكيميائي الذي تشكل هذه القطعة نواة له، أو رمزًا للنظير.

على سبيل المثال، في التجارب الفيزيائية تم تسجيل أن قطعة من الزينون-135 (135 Xe) تظهر في المتوسط ​​في ثلاث حالات كل ألف انشطار لـ 235 نواة يو. وهذا يعني أن العائد المحدد لشظايا 135 Xe هو

 XE= 3/1000 = 0.003 لجميع الأقسام،

وفيما يتعلق بحدث انشطار واحد لنواة 235 U، فإن القيمة  Xe = 0.003 = 0.3% - هي احتمال أن يؤدي الانشطار إلى تكوين جزء 135 هيه.

يتم تقديم تقييم واضح لنمط تكوين شظايا الانشطار ذات الكتل الذرية المختلفة من خلال منحنيات العائد المحدد للشظايا (الشكل 2.7).

10

70 80 90 100 110 120 130 140 150 أمبير

أرز. 2.7. عوائد محددة من شظايا الانشطار من مختلف الكتل الذرية

أثناء انشطار نواة 235 U (الخط الصلب) و239 Pu (الخط المتقطع).

طبيعة هذه المنحنيات تسمح لنا باستنتاج ما يلي:

أ) تقع الكتل الذرية للشظايا المتكونة أثناء الانشطار، في الغالبية العظمى من الحالات، في نطاق 70 × 165 amu. العائد المحدد للأجزاء الأخف والأثقل صغير جدًا (لا يتجاوز 10 -4٪).

ب) الانشطار المتماثل للنوى (أي الانشطار إلى جزأين متساويين الكتل) نادر للغاية: لا يتجاوز ناتجها النوعي 0.01٪ لنواة اليورانيوم 235 و 0.04٪ لنواة البلوتونيوم 239.

ج) تتشكل في أغلب الأحيان رئتينشظايا ذات أعداد جماعية ضمن 83  104 amu. و ثقيلشظايا مع A = 128  149 صباحا. (عائدها المحدد هو 1٪ أو أكثر).

د) يؤدي انشطار 239 Pu تحت تأثير النيوترونات الحرارية إلى تكوين عدة ذرات أكثر خطورةشظايا مقارنة بشظايا انشطار 235 U.

*) في المستقبل، عند دراسة حركية المفاعل وعمليات تسممه وخبثه، سنضطر أكثر من مرة إلى الرجوع إلى قيم النواتج النوعية للعديد من شظايا الانشطار عند رسم المعادلات التفاضلية التي تصف العمليات الفيزيائية في قلب المفاعل.

تكمن ملاءمة هذه القيمة في أنه، بمعرفة معدل تفاعل الانشطار (عدد الانشطارات لكل وحدة حجم من تركيبة الوقود لكل وحدة زمنية)، فمن السهل حساب معدل تكوين أي شظايا انشطارية، والتي يكون تراكمها في المفاعل بطريقة أو بأخرى يؤثر على تشغيله:

معدل توليد الجزء i =  أنا  (معدل التفاعل الانشطاري)

وملاحظة أخرى تتعلق بتكوين الشظايا الانشطارية. شظايا الانشطار المتولدة أثناء الانشطار لها الطاقات الحركية العالية.ومن خلال نقل طاقتها الحركية أثناء الاصطدامات مع ذرات وسط تكوين الوقود، فإن الشظايا الانشطارية بالتالي زيادة متوسط ​​مستوى الطاقة الحركية للذرات والجزيئات،والتي، وفقًا لأفكار النظرية الحركية، نعتبرها زيادة درجة الحرارةتكوين الوقود أو كيف توليد الحرارة فيه.

يتم توليد معظم الحرارة في المفاعل بهذه الطريقة.

وهذا دور إيجابي معين لتشكيل الشظايا في عملية تشغيل مفاعل الطاقة النووية.

2.2.2. إنتاج النيوترونات الانشطارية.الظاهرة الفيزيائية الرئيسية المصاحبة لعملية انشطار النوى الثقيلة هي انبعاث النيوترونات السريعة الثانوية بواسطة شظايا الانشطار المثارة،خلاف ذلك مُسَمًّى النيوترونات السريعةأو النيوترونات الانشطارية.

أهمية هذه الظاهرة (التي اكتشفها ف. جوليو كوري وزملاؤه - ألبانو و كوارسكي - في عام 1939) لا يمكن إنكاره: وبفضل ذلك تظهر نيوترونات حرة جديدة أثناء انشطار النوى الثقيلة لتحل محل تلك التي تسببت في الانشطار؛ يمكن لهذه النيوترونات الجديدة أن تتفاعل مع النوى الانشطارية الأخرى في الوقود وتتسبب في انشطارها، يليه انبعاث نيوترونات انشطارية جديدة، وما إلى ذلك.وهذا يعني أنه بسبب تكوين النيوترونات الانشطارية، يصبح الأمر ممكنًا تنظم عملية انشطارات تتبع بعضها البعض بشكل منتظم في الوقت المناسب دون إمداد النيوترونات الحرة إلى الوسط المحتوي على الوقود من مصدر خارجي. في مثل هذا التسليم، ببساطة، ليس من الضروريطالما أن "الأدوات" التي يتم بها تنفيذ الانشطار النووي موجودة هنا، في هذه البيئة بالذات، في حالة مقيدة في النوى الانشطارية؛ من أجل "تفعيل" النيوترونات المقيدة، فإنها تحتاج فقط إلى تحريرها، أي أنه يجب تقسيم النواة إلى شظايا، ومن ثم ستكمل الشظايا نفسها كل شيء: بسبب حالتها المثارة، سوف تنبعث منها "إضافية". " النيوترونات من تركيبها، مما يتداخل مع استقرارها، وهذا سيحدث في زمن في حدود 10 -15 - 10 -13 ثانية، يتزامن من حيث الحجم مع الزمن الذي تبقى فيه النواة المركبة في حالة مثارة. أدت هذه المصادفة إلى ظهور فكرة ظهور النيوترونات الانشطارية ليس من شظايا الانشطار المثارة المفرطة بالنيوترونات بعد نهاية الانشطار، ولكن مباشرة في تلك الفترة القصيرة من الزمن التي يحدث خلالها الانشطار النووي.هذا ليس بعدفعل التقسيم، و خلالهذا الفعل، كما لو كان في وقت واحد مع تدمير النواة. لنفس السبب، غالبًا ما تسمى هذه النيوترونات النيوترونات السريعة.

أظهر تحليل المجموعات المحتملة من البروتونات والنيوترونات في النوى المستقرة ذات الكتل الذرية المختلفة (تذكر مخطط النوى المستقرة) ومقارنتها بالتركيب النوعي لمنتجات الانشطار أن احتمال التكوينمستمر هناك عدد قليل جدًا من الشظايا أثناء الانشطار.وهذا يعني أن الغالبية العظمى من الشظايا تولد غير مستقرويمكن أن ينبعث منها نيوترون انشطاري واحد أو اثنان أو ثلاثة أو حتى أكثر "إضافية" من أجل استقرارها، ومن الواضح أن كل جزء متحمس محدد يجب أن ينبعث منه الخاصة بك، محددة بدقة،عدد النيوترونات الانشطارية "الزائدة" لاستقراره.

ولكن بما أن كل جزء يحتوي على عدد كبير من الانشطارات له عائد محدد محدد بدقة، فإنه مع وجود عدد كبير معين من الانشطارات، سيكون أيضًا عدد شظايا الانشطار من كل نوع المتكون مؤكدًا، وبالتالي عدد النيوترونات الانشطارية المنبعثة وستكون الأجزاء من كل نوع مؤكدة أيضًا، وهذا يعني أن العدد الإجمالي لها سيكون مؤكدًا أيضًا. بقسمة العدد الإجمالي للنيوترونات الناتجة في الانشطارات على عدد الانشطارات التي تم إنتاجها فيها، يجب أن نحصل على متوسط ​​عدد النيوترونات الانشطارية المنبعثة في حدث انشطاري واحد، والتي، بناءً على المنطق المذكور أعلاه، يجب أيضًا تحديدها بدقة و ثابت لكل نوع من النويدات الانشطارية.تم تحديد هذا الثابت الفيزيائي للنويدة الانشطارية  .

وفقاً لبيانات عام 1998 (يتم تحديث قيمة هذا الثابت دورياً بناءً على نتائج تحليل التجارب الفيزيائية حول العالم) أثناء الانشطار تحت تأثير النيوترونات الحرارية

لليورانيوم 235  5 = 2.416,

للبلوتونيوم 239  9 = 2.862,

للبلوتونيوم 241  1 = 2.938، الخ.

الملاحظة الأخيرة مفيدة: قيمة الثابت  يعتمد بشكل كبير على حجم الطاقة الحركية للنيوترونات المسببة للانشطار، ومع زيادة هذه الأخيرة، فإنها تزيد تقريبًا بنسبة مباشرة مع E.

بالنسبة للنويدتين الانشطاريتين الأكثر أهمية، يتم وصف الاعتمادات التقريبية (E) بالتعبيرات التجريبية:

لليورانيوم 235  5 (هـ) = 2.416 + 0.1337 ه;

للبلوتونيوم 239  9 (هـ) = 2.862 + 0.1357 ه.

*) يتم استبدال طاقة النيوترونات E بـ [MeV].

وبالتالي فإن قيمة الثابت ، المحسوبة باستخدام هذه الصيغ التجريبية، عند طاقات نيوترونية مختلفة يمكن أن تصل إلى القيم التالية:

لذا، فإن الخاصية الأولى للنيوترونات الانشطارية المنبعثة أثناء انشطار نويدات انشطارية معينة هي السمة المتأصلة متوسط ​​عدد النيوترونات الانشطارية الناتجة في حدث الانشطار .

إنها حقيقة بالنسبة لجميع النويدات الانشطارية  > 1، يخلق شرطًا أساسيًا للجدوى سلسلة تفاعل الانشطار النيوتروني. ومن الواضح أن التنفيذ التفاعل المتسلسل الانشطاري ذاتي الاستدامةفمن الضروري تهيئة الظروف لذلك واحدمن  النيوترونات التي تم الحصول عليها في عملية الانشطار دعا بالتأكيدالانقسام التالي لنواة أخرى، و استراحة ( - 1) النيوترونات بطريقة أو بأخرى استبعادها من عملية الانشطار النووي.وإلا فإن شدة الانقسامات ستزداد بمرور الوقت مثل الانهيار الجليدي (وهو ما يحدث في قنبلة ذرية).

وبما أنه من المعروف الآن أن قيمة الثابت  تزداد مع زيادة طاقة النيوترونات المسببة للانشطار، ويبرز سؤال منطقي: ما هي الطاقة الحركية؟ وُلِدّالنيوترونات الانشطارية؟

الجواب على هذا السؤال يأتي من الخاصية الثانية للنيوترونات الانشطارية، والتي تسمى طيف الطاقة للنيوترونات الانشطاريةويمثل وظيفة توزيع النيوترونات الانشطارية على طاقاتها الحركية.

إذا ظهر حجم الوسط في وحدة (1 سم 3) في لحظة معينة من الزمن نانشطار النيوترونات بجميع الطاقات الممكنة طيف الطاقة الطبيعيهي دالة لكمية الطاقة E، والتي تظهر قيمتها عند أي قيمة معينة لـ E ما هو الجزء (النسبة) من كل هذه النيوترونات التي هي نيوترونات ذات طاقات الفاصل الأولي dE بالقرب من الطاقة؟ E. وبعبارة أخرى، نحن نتحدث عن التعبير

تم وصف توزيع الطاقة للنيوترونات الانشطارية بدقة تامة دالة واط الطيفية(واط):

ن(ه) = 0.4839
, (2.2.2)

الرسم التوضيحي الذي هو الشكل 2.8. في الصفحة التالية.

يوضح طيف واط أنه على الرغم من أن النيوترونات الانشطارية يتم إنتاجها بطاقات مختلفة جدًا، وتقع في نطاق واسع جدًا، تمتلك معظم النيوترونات طاقة أولية,يساوي ه نيفادا = 0.7104 ميجا فولت، الموافق للحد الأقصى من وظيفة واط الطيفية. وفي المعنى هذه القيمة الطاقة الأكثر احتمالا لانشطار النيوترونات.

هناك كمية أخرى تميز طيف الطاقة للنيوترونات الانشطارية متوسط ​​طاقة النيوترونات الانشطارية أي كمية الطاقة التي سيمتلكها كل نيوترون انشطاري إذا تم تقسيم إجمالي الطاقة الحقيقية لجميع نيوترونات الانشطار بالتساوي فيما بينها:

E av =  E n(E) dE /  n(E) dE (2.2.3)

استبدال التعبير (2.2.2) إلى (2.2.3) يعطي قيمة متوسط ​​طاقة النيوترونات الانشطارية

ه تزوج = 2.0 مليون إلكترون فولت

وهذا يعني ذلك تقريبا كل شيءوتولد النيوترونات الانشطارية سريع(أي بالطاقات ه > 0.1 MeV). لكن يتم إنتاج عدد قليل من النيوترونات السريعة ذات الطاقات الحركية العالية نسبيًا (أقل من 1%)، على الرغم من ظهور عدد ملحوظ من النيوترونات الانشطارية ذات طاقات تصل إلى 18 - 20 MeV.

0 1 2 3 4 5 ه، MeV

الشكل 2.8. طيف الطاقة للنيوترونات الانشطارية هو طيف واط.

تختلف أطياف النيوترونات الانشطارية للنويدات الانشطارية المختلفة عن بعضها البعض طفيف. لنفترض، بالنسبة للنويدات 235 U و239 Pu التي نهتم بها بشكل أساسي، قيم متوسط ​​طاقات النيوترونات الانشطارية (تم تصحيحها بناءً على نتائج التجارب الفيزيائية):

E av = 1.935 MeV - لـ 235 U وE av = 2.00 MeV - لـ 239 Pu

قيمة متوسط ​​طاقة طيف النيوترونات الانشطارية وتزداد مع زيادة طاقة النيوترونات المسببة للانشطار، ولكن هذه الزيادة ضئيلة(على الأقل في نطاق 10 - 12 ميجا فولت). وهذا يسمح لنا بتجاهلها وحساب طيف الطاقة للنيوترونات الانشطارية تقريبًا موحدة لمختلف أنواع الوقود النووي ولمفاعلات الطيف المختلفة (السريعة والمتوسطة والحرارية).

بالنسبة لليورانيوم 238، على الرغم من الطبيعة العتبية لانشطاره، فإن طيف النيوترونات الانشطارية يتطابق أيضًا عمليًا مع التعبير(2.2.2)، والاعتماد على متوسط ​​عدد النيوترونات الانشطارية  8 من طاقة النيوترونات المسببة للانشطار - خطية عمليا أيضافي الطاقات فوق العتبة ( ه ص = 1.1 MeV):

 8 (هـ) = 2.409 + 0.1389ه. (2.2.4)

2.2.3. النشاط الإشعاعي لشظايا الانشطار.لقد قيل بالفعل أنه تم التعرف على حوالي 600 نوع من الشظايا الانشطارية، تختلف في الكتلة وشحنة البروتون، وهذا عمليًا الجميع ولادتهممتحمس جدا .

ومما يزيد الأمر تعقيدًا حقيقة أنها تحمل قدرًا كبيرًا من الإثارة و بعد انبعاث النيوترونات الانشطارية. لذلك، في رغبة طبيعية في الاستقرار، يستمرون في "تفريغ" الطاقة الزائدة فوق مستوى الحالة الأرضية حتى يتم الوصول إلى هذا المستوى.

ويتم هذا التفريغ عن طريق الانبعاث المتسلسل لشظايا جميع أنواع الإشعاع المشع (إشعاع ألفا وبيتا وجاما)، وبالنسبة للشظايا المختلفة تحدث أنواع مختلفة من الاضمحلال الإشعاعي في تسلسلات مختلفة و (بسبب الاختلافات في القيم) من ثوابت الاضمحلال ) تمتد بدرجات متفاوتة مع الزمن.

وهكذا، في مفاعل نووي عامل، ليست هذه العملية فقط مدخراتالشظايا المشعة، ولكن أيضا عملية مستمرة تحويل: عدد كبير معروف السلاسلتحولات متتالية، تؤدي في النهاية إلى تكوين نوى مستقرة، لكن كل هذه العمليات تتطلب أوقاتًا مختلفة، فبالنسبة لبعض السلاسل - قصيرة جدًا، وبالنسبة للآخرين - طويلة جدًا.

لذلك، فإن الإشعاع الإشعاعي لا يصاحب تفاعل الانشطار فقط عملالمفاعل، ولكنها تنبعث أيضًا من الوقود لفترة طويلة بعد إيقاف تشغيله.

هذا العامل، أولا، يؤدي إلى نوع خاص من الخطر الجسدي - الخطر تعرض الموظفين،خدمة تركيب المفاعل، يشار إليها باختصار باسم خطر الإشعاع. وهذا يجبر مصممي محطات المفاعلات على توفير البيئة اللازمة لها. الحماية البيولوجية،وضعها في غرف معزولة عن البيئة واتخاذ عدد من التدابير الأخرى للقضاء على احتمال التعرض الخطير للأشخاص والتلوث الإشعاعي للبيئة.

ثانيًا، بعد إغلاق المفاعل، تستمر جميع أنواع الإشعاعات المشعة، على الرغم من انخفاض شدتها، في التفاعل مع المواد الموجودة في قلب المفاعل، ومثل شظايا الانشطار نفسها في الفترة الأولى من وجودها الحر، تنقل طاقتها الحركية إلى ذرات الوسط الأساسي، زيادة متوسط ​​الطاقة الحركية.إنه في المفاعل بعد إغلاقه حرارة الاضمحلال .

من السهل أن نفهم أن قوة إطلاق الحرارة المتبقية في المفاعل في لحظة الإغلاق تتناسب طرديًا مع عدد الشظايا المتراكمة أثناء تشغيل المفاعل في تلك اللحظة، ويتم تحديد معدل انخفاضها لاحقًا بواسطة عمر النصف لهذه الأجزاء. ومما قيل يتبعه آخر سلبيعامل بسبب النشاط الإشعاعي لشظايا الانشطار - ضروريطويل الأمديهدئ قلب المفاعل بعد إيقافهوذلك لإزالة الحرارة المتبقية، ويرتبط ذلك باستهلاك كبير للكهرباء وعمر محرك معدات التدوير.

وبالتالي فإن تشكل الشظايا المشعة أثناء الانشطار في المفاعل هو ظاهرة بالدرجة الأولى سلبيولكن... لكل سحابة جانب مضيء!

في التحولات الإشعاعية لشظايا الانشطار يمكن للمرء أن يرى أيضا إيجابيالجانب الذي المفاعلات النووية حرفيا مدينون بوجودهم . والحقيقة هي أنه من بين مجموعة كبيرة ومتنوعة من الشظايا الانشطارية، هناك حوالي 60 نوعًا تصبح بعد اضمحلال  الأول نيوتروني ، قادرة على انبعاث ما يسمى متخلفةالنيوترونات. ينبعث عدد قليل نسبيًا من النيوترونات المتأخرة في المفاعل (حوالي 0.6% من إجمالي عدد النيوترونات المتولدة)، ولكن بفضل وجودها يكون من الممكن إدارة آمنة مفاعل نووي؛ سنقتنع بهذا عند دراسة حركية المفاعل النووي.

2.2.4. إطلاق الطاقة أثناء الانشطار.يعد تفاعل الانشطار النووي في الفيزياء أحد التأكيدات الواضحة لفرضية آينشتاين حول العلاقة بين الكتلة والطاقة، والتي صيغت فيما يتعلق بالانشطار النووي على النحو التالي:

إن كمية الطاقة المنطلقة أثناء الانشطار النووي تتناسب طردياً مع حجم الخلل الكتلي، ومعامل التناسب في هذه العلاقة هو مربع سرعة الضوء:

ه=  مللي ثانية 2

أثناء الانشطار النووي، يتم تعريف الزيادة (العيب) في الكتلة على أنها الفرق في مجموع الكتل المتبقية من المنتجات الأولية لتفاعل الانشطار (أي النواة والنيوترون) والمنتجات الناتجة عن الانشطار النووي (شظايا الانشطار، الانشطار) النيوترونات والجسيمات الدقيقة الأخرى المنبعثة أثناء عملية الانشطار وبعدها).

لقد أتاح التحليل الطيفي تحديد غالبية منتجات الانشطار ونتائجها المحددة. وعلى هذا الأساس، تبين أنه ليس من الصعب حسابه خاصحجم العيوب الكتلية لمختلف نتائج انشطار نواة اليورانيوم 235 ومنها - حساب متوسط ​​كمية الطاقة المنبعثة في انشطار واحد، والتي تبين أنها قريبة من

مولودية 2 = 200 ميجا فولت

يكفي مقارنة هذه القيمة بالطاقة المنطلقة في فعل أحد أكثر العناصر ماصة للحرارة المواد الكيميائيةالتفاعلات - تفاعلات أكسدة وقود الصواريخ (قيمة أقل من 10 فولت) - لفهم ذلك على مستوى الأجسام المجهرية (الذرات، النوى) 200 MeV - طاقة عالية جدًا: إنها أكبر بثمانية مرات على الأقل (100 مليون مرة) من الطاقة التي يتم الحصول عليها من التفاعلات الكيميائية.

تتبدد طاقة الانشطار من الحجم الذي حدث فيه الانشطار النووي من خلال مواد مختلفة شركات النقل: الشظايا الانشطارية، والنيوترونات الانشطارية، وجسيمات  و، والكميات  وحتى النيوترينوات والنيوترينوات المضادة.

ويرد في الجدول 2.1 توزيع طاقة الانشطار بين حاملات المواد أثناء انشطار 235 U و239 نواة Pu.

الجدول 2.1. توزيع الطاقة الانشطارية لنواة اليورانيوم-235 والبلوتونيوم-239 بين نواتج الانشطار.

حاملات الطاقة الانشطارية		البلوتونيوم-239
1. الطاقة الحركية لشظايا الانشطار
2. الطاقة الحركية للنيوترونات الانشطارية
3. طاقة كمات جاما اللحظية
4. طاقة -الكميات الناتجة عن الانشطار
5. الطاقة الحركية للإشعاع  للشظايا
6. طاقة النيوترينو المضاد

تتحول المكونات المختلفة لطاقة الانشطار إلى حرارة ليس في نفس الوقت.

تتحول المكونات الثلاثة الأولى إلى حرارة في زمن أقل من 0.1 ثانية (من لحظة الانقسام)، ولذلك تسمى مصادر فورية لإطلاق الحرارة.

- و - تنبعث الإشعاعات الصادرة عن نواتج الانشطار عن طريق شظايا مثارة نصف العمر الأكثر تنوعًا(من أجزاء قليلة من الثانية إلى عدة عشرات من الأيام، إذا أخذنا في الاعتبار الأجزاء فقط عائد محدد ملحوظ)، وبالتالي العملية المذكورة أعلاه حرارة الاضمحلالوالتي تنتج على وجه التحديد عن الانبعاثات المشعة من منتجات الانشطار، يمكن أن تستمر لعشرات الأيام بعد إغلاق المفاعل.

*) وفقا لتقديرات تقريبية للغاية، فإن قوة إطلاق الحرارة المتبقية في المفاعل بعد إغلاقه تنخفض في الدقيقة الأولى - بنسبة 30-35٪؛ وبعد الساعة الأولى من إغلاق المفاعل، تبلغ حوالي 30٪ من الطاقة التي كان يعمل فيها المفاعل قبل إغلاقه، وبعد توقف اليوم الأول - حوالي 25 بالمائة. ومن الواضح أن إيقاف التبريد القسري للمفاعل في مثل هذه الظروف أمر غير وارد، لأنه حتى التوقف قصير المدى لتدوير سائل التبريد في القلب محفوف بخطر التدمير الحراري لعناصر الوقود. فقط بعد عدة أيام من التبريد القسري للمفاعل، عندما تنخفض قوة إطلاق الحرارة المتبقية إلى مستوى المبرد الذي تمت إزالته بسبب الحمل الحراري الطبيعي، يمكن إيقاف وسائل الدورة الدموية للدائرة الأولية.

السؤال العملي الثاني للمهندس: أين وأي جزء من طاقة الانشطار يتحول إلى حرارة في المفاعل؟ - لأن ذلك يرجع إلى الحاجة إلى تنظيم إزالة متوازنة للحرارة من أجزائه الداخلية المختلفة، والمصممة بتصميمات تكنولوجية مختلفة.

تكوين الوقود، الذي يحتوي على النويدات الانشطارية، موجود في قذائف محكمة الغلق تمنع إطلاق الشظايا المتكونة من تركيبة الوقود لعناصر الوقود (عناصر الوقود) إلى المبرد الذي يبردها. وإذا كانت الشظايا الانشطارية في مفاعل عامل لا تترك عناصر الوقود، فمن الواضح أن الطاقات الحركية للشظايا وجسيمات  ضعيفة الاختراق تتحول إلى حرارة داخل قضبان الوقود.

تتحول طاقات النيوترونات الانشطارية والإشعاع  إلى حرارة داخل عناصر الوقود فقط جزئيا: قدرة اختراق النيوترونات ويولد إشعاع  entrainmentمعظم طاقتهم الحركية الأولية تأتي من أماكن ولادتهم.

إن معرفة القيمة الدقيقة لطاقة الانشطار وحصتها من الحرارة الناتجة داخل عناصر الوقود لها أهمية عملية كبيرة، حيث تتيح حساب خاصية أخرى مهمة عمليا تسمى إطلاق حرارة حجمية محددة في وقود قضبان الوقود (س الخامس).

على سبيل المثال، إذا كان من المعروف أنه في 1 سم 3 من تركيبة الوقود لعنصر الوقود، في 1 ثانية ر F انشطارات نواة اليورانيوم 235، فمن الواضح أن كمية الطاقة الحرارية المتولدة في كل ثانية في وحدة الحجم هذه (= الطاقة الحرارية لـ 1 سم 3 من الوقود) هي الإطلاق الحراري الحجمي المحدد (أو كثافة الطاقة) الوقود، وهذه القيمة ستكون مساوية لـ:

س الخامس = 0.9 .  ه . ر F (2.2.5)

وتعتمد حصة طاقة الانشطار الواردة على شكل حرارة خارج عناصر الوقود في قلب المفاعل على نوعها وتصميمها وتقع ضمن (6  9)% من إجمالي طاقة الانشطار. (على سبيل المثال، بالنسبة لـ VVER-1000، تبلغ هذه القيمة حوالي 8.3%، وبالنسبة لـ RBMK-1000، تبلغ حوالي 7%).

وبالتالي، فإن حصة إجمالي إطلاق الحرارة في الحجم الأساسي لإجمالي طاقة الانشطار هي 0.96 × 0.99، أي. بدقة فنية يتزامن مع إجمالي طاقة الانشطار.

ومن هنا خاصية تقنية أخرى لنواة المفاعل:

- متوسط ​​كثافة الطاقة الأساسية(q v) az - الطاقة الحرارية المتلقاة لكل وحدة حجم النواة:

(ف ت) أز = (0.96-0.99)  ه . ر F   ه . ر F (2.2.6)

وبما أن الطاقة هي 1 MeVفي نظام SI يتوافق مع 1.602. 10-13 ج، ثم قيمة كثافة الطاقة في قلب المفاعل:

(ف v) أز  3.204 . 10-11 ر F .

ولذلك، إذا كانت قيمة متوسط ​​كثافة الطاقة على الحجم الأساسي معروفة، إذن الطاقة الحرارية للمفاعلمن الواضح أنه سيكون:

س ص= (ف الخامس) من الألف إلى الياء. الخامس من الألف إلى الياء 3.204. 10-11 . ر F . الخامس من الألف إلى الياء [دبليو] (2.2.7)

تتناسب الطاقة الحرارية للمفاعل بشكل مباشر متوسط ​​السرعة

تفاعلات الانشطار في جوهرها.

نتيجة عملية : هل تريد أن يعمل المفاعل فيمستوى الطاقة المستمر؟ -قم بتهيئة الظروف فيه بحيث يحدث تفاعل الانشطار في منطقته النشطة وبسرعة متوسطة ثابتة مع مرور الزمن.هل تحتاج إلى زيادة (تقليل) قوة المفاعل؟ - ابحث عن طرق لزيادة (أو تقليل) معدل التفاعل وفقًا لذلكدي leniya.هذا هو المعنى الأساسي للتحكم في قوة المفاعل النووي.

إن العلاقات والاستنتاجات المدروسة تبدو واضحة فقط في أبسط الحالات، عندما يكون مكون الوقود في المفاعل هو واحد من اليورانيوم 235. ومع ذلك، تكرار المنطق لمفاعل مع متعدد المكوناتفي تركيبة الوقود، من السهل التحقق من التناسب بين متوسط ​​معدل التفاعل الانشطاري والطاقة الحرارية للمفاعل في الحالة الأكثر عمومية.

وهكذا، فإن الطاقة الحرارية للمفاعل و توزيع الحرارة في جوهرهاتتناسب طرديًا مع توزيع معدل التفاعل الانشطاري على حجم تركيبة الوقود في قلب المفاعل.

ولكن مما قيل يتضح أيضًا أن معدل تفاعل الانشطار يجب أن تكون مرتبطة بعدد النيوترونات الحرة في البيئة الأساسية، لأنها (النيوترونات الحرة) هي التي تسبب تفاعلات الانشطار والالتقاط الإشعاعي والتشتت وتفاعلات النيوترونات الأخرى. بمعنى آخر، يجب أن يكون معدل تفاعل الانشطار، وإطلاق الطاقة في قلب المفاعل، والطاقة الحرارية للمفاعل مرتبطًا بشكل واضح بـ خصائص المجال النيوترونيفي حجمه.

بعد إجراء تفاعل متسلسل غير متحكم فيه، مما جعل من الممكن الحصول على كمية هائلة من الطاقة، حدد العلماء مهمة تنفيذ تفاعل متسلسل متحكم فيه. يكمن جوهر التفاعل المتسلسل المتحكم فيه في القدرة على التحكم في النيوترونات. وقد تم تطبيق هذا المبدأ بنجاح في محطات الطاقة النووية (NPPs).

تُستخدم الطاقة الانشطارية لنواة اليورانيوم في محطات الطاقة النووية (NPPs). عملية انشطار اليورانيوم خطيرة للغاية. ولذلك فإن المفاعلات النووية محاطة بقذائف واقية كثيفة. النوع الشائع من المفاعلات هو الماء المضغوط.

المبرد هو الماء. يدخل الماء البارد إلى المفاعل تحت ضغط مرتفع جدًا، مما يمنعه من الغليان.

يعمل الماء البارد الذي يمر عبر قلب المفاعل أيضًا كمهدئ، حيث يبطئ النيوترونات السريعة بحيث تصطدم بنواة اليورانيوم وتتسبب في تفاعل متسلسل.

ويوجد الوقود النووي (اليورانيوم) في القلب على شكل قضبان تجميع الوقود. تتناوب قضبان الوقود في المجموعة مع قضبان التحكم، التي تنظم معدل الانشطار النووي عن طريق امتصاص النيوترونات السريعة.

الانشطار يطلق كمية كبيرة من الحرارة. ويترك الماء الساخن القلب تحت ضغط بدرجة حرارة 300 درجة مئوية ويدخل إلى محطة توليد الكهرباء التي تضم المولدات والتوربينات.

يقوم الماء الساخن من المفاعل بتسخين مياه الدائرة الثانوية حتى الغليان. يتم توجيه البخار إلى شفرات التوربينات ويقوم بتدويرها. يقوم العمود الدوار بنقل الطاقة إلى المولد. في المولد، يتم تحويل الطاقة الدورانية الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. يبرد البخار ويعود الماء إلى المفاعل.

ونتيجة لهذه العمليات المعقدة، تنتج محطة الطاقة النووية تيارًا كهربائيًا.

كما ترون، يقع النظائر الانشطارية في قضبان الوقود الموجودة في قلب المفاعل، مما يشكل كتلة حرجة. يتم التحكم في التفاعل النووي باستخدام قضبان التحكم المصنوعة من البورون أو الكادميوم. توجد قضبان التحكم، مثل قضبان الوقود، في قلب المفاعل، ومثل الإسفنج الذي يمتص الماء، تعمل على النيوترونات، وتمتصها. يتحكم مشغل محطة الطاقة النووية، من خلال ضبط عدد قضبان التحكم في قلب المفاعل، في سرعة العملية النووية: فهو يبطئها عن طريق خفض قضبان التحكم في قلب المفاعل؛ أو تسريعها عن طريق رفع القضبان.

يبدو أن كل شيء على ما يرام - الطاقة النووية هي مصدر لا ينضب للكهرباء عالي التقنية وهو المستقبل. هذا ما كان يعتقده الناس حتى 26 أغسطس 1986. أدى الحادث الذي وقع في الوحدة الرابعة لمحطة تشيرنوبيل للطاقة النووية إلى قلب كل شيء رأساً على عقب - فقد تبين أن الذرة "السلمية" ليست سلمية للغاية إذا تم التعامل معها بازدراء.

لقد تمت كتابة الكثير من المواد حول هذا الموضوع. هنا سيتم تقديم جوهر (الجوهر المكثف) للكارثة.

الأسباب الرئيسية لحادث وحدة الطاقة الرابعة بمحطة تشيرنوبيل للطاقة النووية:

1. برنامج غير مدروس جيدًا لإجراء تجربة تكنولوجية على تشغيل المولد التوربيني؛
2. الحسابات الخاطئة من قبل مطوري مفاعل RBMK النووي، حيث لعب نقص المعلومات التشغيلية في نظام التحكم حول احتياطي التفاعل في القلب دورًا مهمًا؛
3. "حريات" العاملين في محطة الطاقة النووية الذين أجروا التجربة وسمحوا بالانحرافات عن اللوائح الخاصة بالعمل الذي يتم تنفيذه.

كل هذا أدى معًا إلى الكارثة. ومن بين المتخصصين الذين يحققون في أحداث تشيرنوبيل، كان هناك شيء من هذا القبيل: "تمكن المشغلون من تفجير الوحدة، وسمح لهم المفاعل بذلك". يقع جزء من ذنب تشيرنوبيل على عاتق الجميع تقريبًا - وعلى الفيزيائيين الذين يجرون الحسابات باستخدام نماذج مبسطة، وعلى القائمين على التركيب الذين يقومون بلحام اللحامات بلا مبالاة، وعلى المشغلين الذين يسمحون لأنفسهم بتجاهل لوائح العمل.

تشريح حادث تشيرنوبيل باختصار

1. تم السماح لطاقة المفاعل بالانخفاض إلى قيمة صغيرة جدًا (حوالي 1% من القيمة الاسمية). وهذا أمر "سيئ" بالنسبة للمفاعل، لأنه يقع في "حفرة اليود" ويبدأ تسمم المفاعل بالزينون. وفقاً للنهج «العادي»، كان من الضروري إغلاق المفاعل، لكن في هذه الحالة لم يكن من الممكن إجراء تجربة تعطل التوربين، مع كل ما ترتب على ذلك من عواقب إدارية. ونتيجة لذلك، قرر موظفو محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية زيادة قوة المفاعل ومواصلة التجربة.

2. يتضح مما سبق أن مشغل محطة الطاقة النووية يمكنه التحكم في معدل التفاعل النووي (طاقة المفاعل) عن طريق تحريك قضبان التحكم إلى قلب المفاعل. ولزيادة قوة المفاعل (لإكمال التجربة)، تمت إزالة جميع قضبان التحكم تقريبًا من قلب المفاعل.

ولتوضيح الأمر أكثر للقارئ الذي ليس على دراية بـ "الخفايا النووية"، يمكننا إعطاء القياس التالي مع حمولة معلقة على زنبرك:

• الحمولة (أو بالأحرى موضعها) هي قوة المفاعل؛
• الزنبرك هو وسيلة للتحكم في الحمل (طاقة المفاعل).
• في الوضع الطبيعي، يكون الحمل والزنبرك في حالة توازن - يكون الحمل عند ارتفاع معين، ويتمدد الزنبرك بمقدار معين.
• عندما تعطلت طاقة المفاعل ("حفرة اليود")، نزل الحمل إلى الأرض (وذهب بقوة شديدة).
• "لسحب" المفاعل، قام المشغل "بسحب الزنبرك" (سحب قضبان التحكم؛ ولكن كان من الضروري القيام بالعكس تمامًا - إدخال جميع القضبان وإغلاق المفاعل، أي تحرير الزنبرك بحيث يسقط الحمل على الأرض). لكن نظام التحميل الزنبركي يعاني من بعض القصور الذاتي، ولبعض الوقت بعد أن بدأ المشغل في سحب الزنبرك لأعلى، يستمر الحمل في التحرك للأسفل. ويستمر المشغل في السحب.
• أخيرًا، يصل الحمل إلى أدنى نقطة، وتحت تأثير قوى الزنبرك (اللائقة بالفعل) يبدأ في التحرك للأعلى - تبدأ قوة المفاعل في الزيادة بشكل حاد. يطير الحمل للأعلى بشكل أسرع وأسرع (تفاعل متسلسل غير منضبط مع إطلاق كمية كبيرة من الحرارة)، ولم يعد المشغل قادرًا على فعل أي شيء لإطفاء القصور الذاتي للحركة الصعودية للحمل. ونتيجة لذلك، يصل الحمل إلى جبهته.

نعم، إن مشغلي محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية، الذين سمحوا لوحدة الطاقة بالانفجار، دفعوا أغلى ثمن لخطئهم - حياتهم.

لماذا تصرف موظفو محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية بهذه الطريقة؟ كان أحد الأسباب هو أن نظام التحكم في المفاعل النووي لم يزود المشغل بالمعلومات التشغيلية حول العمليات الخطرة التي تحدث في المفاعل.

هكذا يبدأ A. S. Dyatlov كتابه "تشيرنوبيل. كيف حدث":

في 26 أبريل 1986، وفي تمام الساعة الواحدة وثلاث وعشرين دقيقة وأربعين ثانية، أمر مشرف الوردية على الوحدة رقم 4 في محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية، ألكسندر أكيموف، بإغلاق المفاعل عند الانتهاء من الأعمال المنفذة. قبل إيقاف تشغيل وحدة الطاقة لإجراء الإصلاحات المخطط لها. تم إصدار الأمر في بيئة عمل هادئة، ولا يسجل نظام التحكم المركزي إشارة طوارئ أو تحذير واحدة حول الانحرافات في معلمات المفاعل أو أنظمة الخدمة. قام مشغل المفاعل ليونيد توبتونوف بإزالة الغطاء من الزر AZ، الذي يحمي من الضغط الخاطئ غير المقصود، وضغط على الزر. عند هذه الإشارة، بدأ 187 من قضبان التحكم في المفاعل بالتحرك للأسفل إلى قلب المفاعل. أضاءت أضواء الإضاءة الخلفية على لوحة التذكر، وبدأت أسهم مؤشرات موضع القضيب في التحرك. لاحظ ألكسندر أكيموف، وهو يقف نصف ملتف نحو لوحة التحكم في المفاعل، ذلك، ورأى أيضًا أن "أرانب" مؤشرات خلل AR "اندفعت نحو اليسار" (تعبيره)، كما ينبغي أن يكون، مما يعني انخفاضًا في تحولت طاقة المفاعل إلى لوحة الأمان التي لاحظتها في التجربة.
ولكن بعد ذلك حدث شيء لم يستطع حتى أعنف الخيال التنبؤ به. وبعد انخفاض طفيف، بدأت قوة المفاعل فجأة في الزيادة بسرعة متزايدة، وظهرت إشارات الإنذار. صاح L. Toptunov حول زيادة الطوارئ في السلطة. لكنه لم يكن قادرا على فعل أي شيء. كل ما استطاع فعله هو الضغط باستمرار على الزر AZ، ودخلت قضبان التحكم إلى المنطقة النشطة. وليس لديه وسيلة أخرى تحت تصرفه. والجميع أيضا. صرخ أ. أكيموف بحدة: "أغلقوا المفاعل!" قفز إلى لوحة التحكم وقام بإلغاء تنشيط القوابض الكهرومغناطيسية لمحركات قضبان التحكم. الإجراء صحيح، ولكن لا طائل منه. بعد كل شيء، منطق CPS، أي جميع عناصر الدوائر المنطقية، عملت بشكل صحيح، وذهبت القضبان إلى المنطقة. أصبح الأمر واضحًا الآن - بعد الضغط على الزر AZ، لم تكن هناك إجراءات صحيحة، ولم تكن هناك وسيلة للخلاص. فشل منطق آخر!
وأعقب ذلك انفجاران قويان بفاصل زمني قصير. توقفت قضبان AZ عن الحركة دون أن تقطع حتى نصف الطريق. لم يكن لديهم مكان آخر يذهبون إليه.
وفي ساعة واحدة وثلاث وعشرين دقيقة وسبعة وأربعين ثانية، تم تدمير المفاعل عن طريق زيادة الطاقة باستخدام النيوترونات السريعة. هذا هو الانهيار، الكارثة النهائية التي يمكن أن تحدث في مفاعل الطاقة. لم يفهموها، ولم يستعدوا لها، ولم يتم توفير أي إجراءات فنية للتوطين في الكتلة والمحطة...

وهذا هو، قبل بضع ثوان من وقوع الكارثة، لم يشك الموظفون حتى في خطر الاقتراب! كانت نهاية هذا الموقف السخيف برمته هي الضغط على زر الطوارئ، وبعد ذلك حدث انفجار - أنت تتسابق في سيارة وأمام عائق تضغط على الفرامل، لكن السيارة تتسارع أكثر وتصطدم بالعائق. ولكي نكون منصفين، ينبغي القول إن الضغط على زر الطوارئ لا يمكن أن يؤثر على الوضع بأي شكل من الأشكال - فهو يؤدي فقط إلى تسريع الانفجار الحتمي للمفاعل ببضع لحظات، ولكن تظل الحقيقة - قامت قوات الحماية الطارئة بتفجير المفاعل !

تأثير الإشعاع على الإنسان

لماذا تعتبر الكوارث النووية التي من صنع الإنسان (ناهيك عن الأسلحة النووية) خطيرة للغاية؟

بالإضافة إلى إطلاق كميات هائلة من الطاقة، الأمر الذي يؤدي إلى دمار كبير، فإن التفاعلات النووية تكون مصحوبة بالإشعاع، ونتيجة لذلك، التلوث الإشعاعي للمنطقة.

لماذا الإشعاع ضار جدا للكائن الحي؟ لو لم يتسبب في مثل هذا الضرر لجميع الكائنات الحية، لكان الجميع قد نسوا حادث تشيرنوبيل منذ فترة طويلة، وسيتم إلقاء القنابل الذرية على اليسار واليمين.

يدمر الإشعاع خلايا الكائن الحي بطريقتين:

1. بسبب التدفئة (حرق الإشعاع)؛
2. بسبب تأين الخلايا (مرض الإشعاع).

تتمتع الجسيمات المشعة والإشعاع نفسه بطاقة حركية عالية. الإشعاع يولد الحرارة. تسبب هذه الحرارة، المشابهة لحروق الشمس، حروقًا إشعاعية، مما يؤدي إلى تدمير أنسجة الجسم.

يظهر الرسم التخطيطي لمفاعل نووي يستخدم النيوترونات الحرارية (البطيئة) في الشكل. 5.1، هنا 1 - قضبان التحكم، 2 - الحماية البيولوجية، 3 - الحماية الحرارية، 4 - الوسيط، 5 - الوقود النووي (قضبان الوقود).

عندما يصطدم نيوترون بنواة نظير اليورانيوم 235، فإنه ينقسم إلى قسمين وينبعث عدة (2.5-3) نيوترونات ثانوية جديدة. من أجل الحفاظ على التفاعل المتسلسل في المفاعل النووي، من الضروري ألا تقل كتلة الوقود النووي في قلب المفاعل عن الكتلة الحرجة. ويجب أن يحتوي المفاعل على هذه الكمية 235 يوبحيث، في المتوسط، واحد على الأقل من النيوترونات الناتجة في كل حدث انشطار يمكن أن يسبب حدث الانشطار التالي قبل أن يغادر قلب المفاعل.

الشكل 5.1. رسم تخطيطي لمفاعل نووي نيوتروني حراري

إذا بقي عدد النيوترونات ثابتًا، فإن تفاعل الانشطار سيكون له طابع ثابت. كلما ارتفع مستوى الحالة المستقرة لعدد النيوترونات الموجودة، زادت قوة المفاعل. تتوافق قدرة 1 ميجاوات مع تفاعل متسلسل يحدث فيه 3 10 16 انقسامًا في ثانية واحدة.

إذا زاد عدد النيوترونات سيحدث انفجار حراري، وإذا انخفض يتوقف التفاعل. يتم التحكم في معدل التفاعل باستخدام قضبان التحكم 1.

يمكن وصف الوضع الحالي للمفاعل النووي بأنه فعال عامل الضرب النيوترونيأو التفاعلية، والتي ترتبط ببعضها البعض بالعلاقة:

القيم التالية نموذجية لهذه الكميات:

· - يزداد التفاعل المتسلسل مع مرور الوقت، ويكون المفاعل في حالة فوق حرجة، وتفاعليته؛

· - عدد الانشطارات النووية ثابت والمفاعل في حالة حرجة مستقرة.

لا يمكن للمفاعل النووي أن يعمل بقدرة معينة لفترة طويلة إلا إذا كان لديه احتياطي تفاعلي في بداية التشغيل. أثناء تشغيل المفاعل النووي، بسبب تراكم شظايا الانشطار في الوقود، يتغير تركيبه النظائري والكيميائي، وتتشكل عناصر ما بعد اليورانيوم، وخاصة البلوتونيوم. تقلل العمليات التي تحدث في المفاعل من إمكانية حدوث تفاعل متسلسل لانشطار النوى الذرية.

للحفاظ على التفاعل المتسلسل وتنفيذه، من الضروري الحد من امتصاص النيوترونات بواسطة المواد المحيطة بقلب المفاعل. يتم تحقيق ذلك باستخدام مواد (للحماية البيولوجية 2 والحرارية 3) تعكس النيوترونات جزئيًا على الأقل (50٪ بشكل مثالي)، أي. لم يستوعبهم. ومما له أهمية خاصة اختيار المبرد المستخدم لنقل الحرارة من القلب إلى التوربين.

يمكن أن تكون النيوترونات الناتجة نتيجة الانشطار سريعة (عالية السرعة) أو بطيئة (حرارية). احتمالية التقاط نيوترون بطيء بواسطة النواة 235 يووانقسامه اللاحق أكبر من انقسام النيوترون السريع. لذلك، فإن قضبان الوقود 5 محاطة بمشرفين خاصين 4، مما يبطئ النيوترونات، ويمتصها بشكل ضعيف. وللحد من تسرب النيوترونات من المفاعل، تم تجهيزه بعاكس. أكثر الوسائط والعاكسات استخدامًا هي الجرافيت الثقيل ( D2O)، الماء العادي، الخ.

يحدد عدد النيوترونات الموجودة الثابتة عدد شظايا الانشطار النووي المتكونة، والتي تطير بعيدًا في اتجاهات مختلفة بسرعة هائلة. يؤدي فرملة الشظايا إلى تسخين الوقود وجدران قضبان الوقود. ولإزالة هذه الحرارة، يتم تغذية المفاعل المبردوالتسخين هو الغرض من المفاعل. في كثير من الأحيان نفس المادة، على سبيل المثال الماء العادي، تؤدي هذه الوظائف المبرد، الوسيط والعاكس. يتم توفير الماء للمفاعل باستخدام مضخات الدورة الدموية الرئيسية(MCP).